Khóa học Phân loại và giải bài tập cơ học đại cương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN VẬT LÝ -----oOo----- TRƯƠNG THANH TUẤN Lớp DH5L Khoá luận tốt nghiệp hệ đại học ngành sư phạm vật lý PHÂN LOẠI VÀ GIẢI BÀI TẬP CƠ HỌC ĐẠI CƯƠNG Giáo viên hướng dẫn: Th.s LÊ ĐỖ HUY Long Xuyên, tháng 5 năm 2008 LỜI CẢM ƠN ----- DÕE ----- Những lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học An Giang đã đào tạo chúng tôi trong suốt thời gian qua, đề ra và tạo điều kiện để chúng tôi có thể hoàn thành khóa luận này. Tôi xin chân thành cảm ơn khoa sư phạm đã tạo điều kiện thuận lợi giúp chúng tôi có thể hoàn thành khóa luận này. Tôi xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn thầy Lê Đỗ Huy đã rất nhiệt tình hướng dẫn và hỗ trợ chúng tôi trong suốt quá trình làm khóa luận. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn vật lý cũng như các thầy cô khác đã tạo điều kiện, giúp đỡ chũng tôi về nhiều mặt để chúng tôi có thể hoàn thành khóa luận này. Cuối cùng tôi xin cảm ơn đến các bạn sinh viên cùng tham gia nghiên cứu và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm khoá luận. Phần I: Những Vấn Đề Chung I. Lý Do Chọn Đề Tài Trong quá trình học tập bộ môn vật lý, mục tiêu chính của người học bộ môn này là việc học tập những kiến thức về lý thuyết, hiểu và vận dụng được các lý thuyết chung của vật lý vào những lĩnh vực cụ thể, một trong những lĩnh vực đó là việc giải bài tập vật lý. Bài tập vật lý có vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình nhận thức và phát triển năng lực tư duy của người học, giúp cho người học ôn tập, đào sâu, mở rộng kiến thức, rèn luyện kỷ năng, kỷ xảo, ứng dụng vật lý vào thực tiển, phát triển tư duy sáng tạo. Bài tập vật lý thì rất phong phú và đa dạng, mà một trong những kỷ năng của người học vật lý là phải giải được bài tập vật lý. Để làm được điều đó đòi hỏi người học phải nắm vững lý thuyết, biết vận dụng lý thuyết vào từng loại bài tập và phải biết phân loại từng dạng bài tập cụ thể, có như vậy thì việc áp dụng lý thuyết vào việc giải bài tập vật lý sẽ được dể dàng hơn. Đối với môn cơ học là môn học mở đầu của nghành vật ký, nó là tiền đề để học các môn học khác trong vật lý. Nhưng khi học môn học này tôi thấy tuy nó là môn học quen thuộc, không quá khó để tiếp cận nó nhưng để học tốt nó cũng không phải dể vì để vận dụng những lý thuyết chung vào một bài tập cụ thể ta phải biết bài tập đó thuộc dạng bài tập nào, loại bài tập gì và phải vận dụng những kiến thức lý thuyết nào để giải được và giải như thế nào để có kết quả tốt nhất. Với mục đích giúp các bạn sinh viên có thể định hướng tốt hơn về bài tập cơ học để có thể áp dụng lý thuyết chung vào việc giải từng bài tập cụ thể và thu được kết quả tôt chúng tôi chọn đề tài: “Phân loại và giải bài tập cơ học đại cương”. II. Đối Tượng Nghiên Cứu Nội dung phần cơ học đại cương. Bài tập cơ học đại cương. III. Mục Đích Nghiên Cứu Vận dụng các lý thuyêt để giải bài tập cơ học nhằm nâng cao khả năng nhận thức của bản thân. Phân loại bài tập theo cách giải. Tìm phương pháp giải cho các loại bài tập “cơ học” đại cương. IV. Nhiệm Vụ Nghiên Cứu Hệ thống, khái quát những kiến thức cơ bản về cơ học. Phân loại, nêu và giải một số bài tập cơ bản, mang tính chất khái quát để thuận tiện cho việc học tập môn cơ học cũng như có thể làm tài liệu tham khảo sau này. Nêu ra một số bài tập đề nghị. Trang 1 V. Giả thuyết khoa học Nếu phân loại được các bài tập thành các dạng tổng quát thì tìm được phương pháp giải tổng quát cho loại đó. VI. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp đọc sách và tham khảo tài liệu. Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia. Phương pháp toán học. VII. Phạm Vi Nghiên Cứu Do thời gian và nhiều nguyên nhân khách quan khác nên chúng tôi chỉ nghiên cứu các chương: “Các định luật bảo toàn” và “trường hấp dẫn” trong phần cơ học đại cương. VIII. Đóng Góp Của Khóa Luận. Thông qua đề tài này giúp em rèn luyện thêm về kỷ năng giải bài tập và ứng dụng lý thuyết chung vào những bài tập cụ thể. Giúp chúng ta có cái nhìn khái quát hơn về bài tập cơ học, từ đó tăng cường hứng thú học tập cho học sinh, sinh viên về học phần cơ học. Có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên, học sinh học học phần cơ học. IX. Dàn Ý Khóa Luận: Phần I: Những vấn đề chung. I. Lý do chọn đề tài. II. Đối tượng nghiên cứu. III. Mục đích nghiên cứu. IV. Nhiệm vụ nghiên cứu. V. Giả thuyết khoa học. VI. Phương pháp nghiên cứu. VII. Phạm vi nghiên cứu VIII. Đóng góp của khóa luận. IX. Dàn ý khóa luận. Phần II: Nội dung. Chương I. Cơ sở lý luận về bài tập vật lý. I. Khái niệm về bài tập vật lý II. Vai trò và tác dụng của bài tập vật lý III. Phân loại bài tập vật lý 1 Phân loại theo nội dung 2 Phân loại theo cách giải 3 Phân loại theo trình độ phát triển tư duy Trang 2 IV. Cơ sở định hướng giải bài tập vật lý 1. Hoạt động giải bài tập vật lý 2. Phương pháp giải bài tập vật lý 3. Các bước chung giải bài toán vật lý 4. Lựa chọn bài tập vật lý V. Kết luận Chương II. Cơ sở lý thuyết I. Các Định Luật Bảo Toaøn. 1. Định luật bảo toàn động lượng. 2. Định luật bảo toàn cơ năng. 3. Định luật bảo toàn momen xung lượng. II. Trường Hấp Dẫn. 1. Định luật vạn vật hấp dẫn 2. Cường độ trường hấp dẫn. Thế hấp dẫn. 3. Chuyển động trong trường hấp dẫn của trái đất. III. Kết luận. Chương III. Phân loại các bài tập “Cơ Học” đại cương. I. Phân loại bài tập. II. Giải một số bài tập điển hình. 1. Các định luật bảo toàn. 2. Trường hấp dẫn. III. Bài tập kiến nghị. 1. Các định luật bảo toàn. 2. Trường hấp dẫn. IV. Kết luận Phần III: Kết luận. Trang 3 Phần II: Nội dung Chương I. Cơ sở lý luận về bài tập vật lý. I. Khái niệm về bài tập vật lý Bài tập vật lý là một yêu cầu đặt ra cho người học, được người học giải quyết dựa trên cơ sở các lập luận logic, nhờ các phép tính toán, các thí nghiệm, dựa trên những kiến thức về khái niệm, định luật và các thuyết vật lý. II. Vai trò và tác dụng của bài tập vật lý Xét về mặt phát triển tính tự lực của người học và nhất là rèn luyện kỷ năng vận dụng kiến thức đã lĩnh hội được thì vai trò của bài tập vật lý trong quá trình học tập có một giá trị rất lớn. Bài tập vật lý được sử dụng ở nhiều khâu trong quá trình dạy học. - Bài tập là một phương tiện nghiên cứu hiện tượng vật lý. Trong quá trình dạy học vật lý, người học được làm quen với bản chất của các hiện tượng vật lý bằng nhiều cách khác nhau như: Kể chuyện, biểu diễn thí nghiệm, làm bài thí nghiệm, tiến hành tham quan. Ở đây tính tích cực của người học và do đó chiều sâu và độ vững chắc của kiến thức sẽ lớn nhất khi “tình huống có vấn đề” được tạo ra, trong nhiều trường hợp nhờ tình huống này có thể làm xuất hiện một kiểu bài tập mà trong quá trình giải người học sẽ phát hiện lại quy luật vật lý chứ không phải tiếp thu quy luật dưới hình thức có sẵn. - Bài tập là một phương tiện hình thành các khái niệm. Bằng cách dựa vào các kiến thức hiện có của người học, trong quá trình làm bài tập, ta có thể cho người học phân tích các hiện tượng vật lý đang được nghiên cứu, hình thành các khái niệm về các hiện tượng vật lý và các đại lượng vật lý. - Bài tập là một phương tiện phát triển tư duy vật lý cho người học. Việc giải bài tập làm phát triển tư duy logic, sự nhanh trí. Trong quá trình tư duy có sự phân tích và tổng hợp mối liên hệ giữa các hiện tượng, các đại lượng vật lý đặc trưng cho chúng. - Bài tập là một phương tiện rèn luyện kỷ năng vận dụng các kiến thức của người học vào thực tiển. Đối với việc giáo dục kỷ thuật tổng hợp bài tập vật lý có ý nghĩa rất lớn, những bài tập này là một trong những phương tiện thuận lợi để người học liên hệ lý thuyết với thực hành, học tập với đời sống. Nội dung của bài tập phải đảm bảo các yêu cầu sau: + Nội dung của bài tập phải gắn với tài liệu thuộc chương trình đang học. + Hiện tượng đang được nghiên cứu phải được áp dụng phổ biến trong thực tiển. + Bài tập đưa ra phải là những vấn đề gần gũi với thực tế. + Không những nội dung mà hình thức của bài tập cũng phải gắn với các điều kiện thường gặp trong cuộc sống. Trong các bài tập không có sẳn dữ kiện mà phải tìm dữ kiện cần thiết ở các sơ đồ, bản vẽ kỷ thuật, ở các sách báo tra cứu hoặc từ thí nghiệm. - Bài tập về hiện tượng vật lý trong sinh hoạt hằng ngày cũng có một ý nghĩa to lớn. Chúng giúp cho người học nhìn thấy khoa học vật lý xung quanh chúng ta, bồi dưỡng khả năng quan sát cho người học. Với các bài tập này, trong quá trình giải, người học sẽ có được kỷ năng, kỷ xảo để vận dụng các kiến thức của mình vào việc Trang 4 phân tích các hiện tượng vật lý khác nhau trong tự nhiên, trong kỷ thuật và trong đời sống. Đặc biệt có những bài tập khi giải đòi hỏi người học phải sử dụng kinh nghiệm trong lao động, sinh hoạt và sử dụng những kết quả quan sát thực tế hằng ngày. - Bài tập vật lý là một phương tiện để giáo dục người học. Nhờ bài tập vật lý ta có thể giới thiệu cho người học biết sự xuất hiện những tư tưởng, quan điểm tiên tiến, hiện đại, những phát minh, những thành tựu của nền khoa học trong và ngoài nước. Tác dụng giáo dục của bài tập vật lý còn thể hiện ở chổ: chúng là phương tiện hiệu quả để rèn luyện đức tính kiện trì, vượt khó, ý chí và nhân cách của người học. Việc giải bài tập vật lý có thể mang đến cho người học niềm phấn khởi sáng tạo, tăng thêm sự yêu thích bộ môn, tăng cường hứng thú học tập. - Bài tập vật lý cũng là phương tiện kiểm tra mức độ nắm vững kiến thức, kỷ năng, kỷ xảo của người học. Đồng thời nó cũng là công cụ giúp người học ôn tập, đào sâu, mở rộng kiến thức. III. Phân loại bài tập vật lý Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà ta có nhiều cách phân loại bài tập vật lý khác nhau: Phân loại theo mục đích, phân loại theo nội dung, phân loại theo cách giải, phân loại theo mức độ khó dể. 1. Phân loại theo nội dung Có thể chia làm bốn loại: - Bài tập có nội dung lịch sử: Đó là những bài tập, những câu hỏi chứa đựng những kiến thức có đặc điểm lịch sử, những dữ liệu về thí nghiệm, về những phát minh, sáng chế hoặc về những câu chuyện có tính chất lịch sử. - Bài tập có nội dung cụ thể và trừu tượng + Bài tập có nội dung cụ thể là bài tập trong đó dữ liệu của đầu bài là cụ thể và người học có thể tự giải chúng dựa vào vốn kiến thức cơ bản đã có. Ưu điểm chính của bài tập cụ thể là tính trực quan cao và gắn vào đời sống. + Bài tập có nội dung trừu tượng là những bài tập mà dữ liệu đã cho là không cụ thể, nét nổi bật của bài tập trừu tượng là bản chất vật lý được nêu bật lên, nó được tách ra không lẫn lộn với các chi tiết không cơ bản. - Bài tập có nội dung theo phân môn: Trong vật lý học người ta phân ra các chuyên nghành nhỏ để nghiên cứu và bài tập cũng được xếp loại theo các phân môn. - Bài tập có nội dung kỷ thuật tổng hợp: Đó là các bài tập mà số liệu, dữ kiện gắn với các số liệu thực tế trong các ngành kỷ thuật, công nghiệp, các bài tập này có ứng dụng thực tế. 2. Phân loại theo cách giải Có thể chia ra thành bốn loại. - Bài tập định tính: Đây là loại bài tập mà việc giải không đòi hỏi phải làm một phép tính nào hoăc chỉ là những phép tính đơn giản có thể nhẩm được. Muốn giải bài tập này phải dựa vào khái niệm, những định luật vật lý đã học, xây dựng những suy luận logic, để xác lập mối liên hệ phụ thuộc vào bản chất giữa các đại lượng vật lý. Bài tập định tính có tác dụng lớn trong việc cũng cố những kiến thức đã học, giúp đào sâu hơn bản chất của hiện tượng vật lý, rèn luyện kỷ năng vận dụng kiến thức vào Trang 5 thực tiễn cuộc sống, rèn luyện năng lực quan sát, bồi dưỡng tư duy logic. Vì vậy đây là loại bài tập có giá trị cao, ngày càng được sử dụng nhiều hơn. - Bài tập định lượng: Là bài tập mà khi giải nó phải thực hiện một loạt các phép tính và thường được phân ra làm hai loại: bài tập tập dượt và bài tập tổng hợp. + Bài tập tập dượt là loại bài tập tính toán đơn giản, muốn giải chỉ cần vận dụng một vài định luật, một vài công thức, loại này giúp cũng cố các kiến thức vừa học đồng thời giúp nắm kỷ hơn kiến thức và cách vận dụng nó. + Bài tập tổng hợp là loại bài tập tính toán phức tạp, muốn giải phải vận dụng nhiều khái niệm, nhiều công thức, loại này có tác dụng đặc biệt trong việc mở rộng, đào sâu kiến thức giữa các phần khác nhau của chương trình, đồng thời nó giúp người học biết tự mình lựa chọn những định luật, công thức cần thiết trong các định luật và các công thức đã học. - Bài tập thí nghiệm: Là loại bài tập đòi hỏi phải làm thí nghiệm thì mới giải được. Những thí nghiệm mà bài tập này đòi hỏi phải được tiến hành ở phòng thí nghiệm hoặc ở nhà với những dụng cụ đơn giản mà người học có thể tự làm, tự chế. Việc giải bài tập này đòi hỏi phải biết cách tiến hành các thí nghiệm và biết vận dụng các công thức cần thiết để tìm ra kết quả. Loại bài tập này kết hợp được cả tác dụng của các loại bài tập vật lý nói chung và các loại bài tập thí nghiệm thực hành và có tác dụng tăng cường tính tự lực của người học. - Bài tập đồ thị: Là loại bài tập trong đó các số liệu được dùng làm dữ liệu để giải phải tìm trong các đồ thị cho trước hoặc ngược lại. Loại này đòi hỏi người học phải biểu diễn quá trình diễn biến của hiện tượng nêu trong bài tập đồ thị. 3. Phân loại theo trình độ phát triển tư duy 3.1 Các cấp độ nhận thức theo Bloom Biết (Knowledge) 1. Nhớ được thông tin 2. Nhớ ngày tháng, sự kiện và nơi chốn 3. Biết ý chính 4. Nắm bắt được chủ đề 5. Gợi ý câu hỏi kiểm tra về biết: Liệt kê, định nghĩa, mô tả, xác định, việc gì, ai, khi nào, ở đâu,… Hiểu (Comprehension) 1. Hiểu được ý nghĩa của thông tin. 2. Có thể trình bày lại bằng một cách khác. 3. Có thể so sánh, sắp xếp lại, gộp nhóm lại, suy luận nguyên nhân. 4. Có thể dự đoán kết quả. 5. Gợi ý câu hỏi kiểm tra về hiểu: Tóm tắt, mô tả, dự đoán, kết hợp, phân biệt, ước lượng, mở rộng,… Vận dụng (Application) 1. Sử dụng được thông tin. Trang 6 2. Dùng được phương pháp, quan niệm, lý thuyết và hoàn cảnh, tình huống mới. 3. Sử dụng kiến thức, kỷ năng vào việc giải quyết các vấn đề đặt ra. 4. Gợi ý câu hỏi: Vận dụng, chứng minh, tính toán, minh họa, giải quyết, thay đổi. Phân tích (Analysis) 1. Nhận biết các ý nghĩa bị che dấu. 2. Phân tách vấn đề thành các cấu phần và chỉ ra mối liên hệ giữa chúng. 3. Gợi ý câu hỏi kiểm tra: Phân tích, phân rã, giải thích, kết nối, phân loại, sắp xếp, chia nhỏ, so sánh, lựa chọn,… Tổng hợp (synthesis) 1. Sử dụng ý tưởng cũ, tạo ra ý tưởng mới. 2. Khái quát hóa từ các sự kiện đã cho. 3. Liên kết các vùng kiến thức lại với nhau. 4. Suy ra các hệ quả. 5. Gợi ý câu hỏi kiểm tra: Tích hợp, thay đổi, sắp xếp lại, tạo ra, thiết kế, tổng quát hóa,… Đánh giá (Evaluation) 1. So sánh và phân biệt được các khái niệm. 2. Đánh giá được giá trị của lý thuyết. 3. Chọn lựa được dựa vào các suy luận có lý. 4. Xác nhận giá trị của các căn cứ. 5. Nhận biết các tính chất chủ quan. 6. Gợi ý câu hỏi kiểm tra: Đánh giá, quyết định, xếp loại, kiểm tra, kết luận, tổng quát,… 3.2 Phân loại Theo đó, việc giải bài tập vật lý, ta có thể phân ra thành ba bậc của quá trình nhận thức. - Bài tập nhận biết, tái hiện, tái tạo lại: Đó là những bài tập đòi hỏi người học nhận ra được, nhớ lại được những kiến thức đã học, đã được nêu trong tài liệu. Đó là những câu hỏi về khái niệm, về định luật, về thuyết vật lý hoặc về các ứng dụng vật lý. - Bài tập hiểu, áp dụng: Với các bài tập này thì những đại lượng đã cho có mối liên hệ trực tiếp với đại lượng phải tìm thông qua một công thức, một phương trình nào đó mà người học đã học. Bài tập loại này đòi hỏi người học nhận lại, nhớ lại mối liên hệ giữa các đại lượng đã cho và các đại lượng phải tìm. Tiến trình luận giải ở đây đơn giản chỉ là một phương trình một ẩn số hoặc là giải thích một tính chất nào đó Trang 7 dựa vào đặt điểm, vào các tính chất vật lý đã học. Sử dụng giải thích một hiện tượng vật lý, rèn luyện kỹ năng sử dụng thuật ngữ vật lý. - Bài tập vận dụng linh hoạt: Loại bài tập này được sử dụng sau khi người học đã nghiên cứu tài liệu mới, nó có tác dụng cũng cố, khắc sâu kiến thức đã lĩnh hội được đồng thời nó bổ khuyết những gì mà trong giờ nghiên cứu tài liệu mới người học còn mơ hồ, còn hiểu sai. Với bài tập vận dụng linh hoạt đòi hỏi phải có khả năng vận dụng phối hợp những kiến thức mới học với những kiến thức trước đó. Việc giải bài tập vận dụng linh hoạt sẽ phát triển ở người học tư duy logic, tư duy phân tích tổng hợp, đồng thời thấy được mối liên hệ biện chứng giữa các kiến thức đã học. Chính những bài tập vận dụng linh hoạt là cầu nói kiến thức trong sách vở với những vấn đề trong thực tế đời sống và trong kỹ thuật. Tóm lại: Bài tập vật lý rất đa dạng, vì thế vấn đề phân loại được các bài tập của một phân môn là rất cần thiết để có thể học tốt phân môn đó. IV. Cơ sở định hướng giải bài tập vật lý 1. Hoạt động giải bài tập vật lý - Mục tiêu cần đạt tới khi giải một bài toán vật lý là tìm được câu trả lời đúng đắn, giải đáp được vấn đề đặt ra một cách có căn cứ khoa học chặt chẽ. Quá trình giải một bài toán thực chất là tìm hiểu điều kiện của bài toán, xem xét hiện tượng vật lý được đề cập và dựa trên các kiến thức về vật lý, toán để nghĩ tới mối liên hệ có thể của cái đã cho và cái cần tìm sao cho thấy được cái phải tìm có mối liên hệ trực tiếp hoặc gián tiếp với cái đã cho, từ đó đi đến chỉ rõ được mối liên hệ tường minh trực tiếp của cái phải tìm với cái đã biết nghĩa là đã tìm được lời giải đáp cho bài toán đặt ra. - Hoạt động giải bài toán vật lý có hai phần việc cơ bản quan trọng là: + Việc xác lập các mối liên hệ cơ bản, cụ thể dựa trên sự vận dụng kiến thức vật lý vào điều kiện cụ thể của bài toán đã cho. + Sự tiếp tục luận giải, tính toán, đi từ mối liên hệ đã xác lập được đến kết quả cuối cùng của việc giải đáp vấn đề được đặt ra trong bài toán đã cho. - Sự nắm vững lời giải một bài toán vật lý phải thể hiện ở khả năng trả lời được câu hỏi: Việc giải bài toán này cần xác lập được mối liên hệ nào? Sự xác lập các mới liên hệ cơ bản này dựa trên sự vận dụng kiến thức vật lý nào? Vào điều kiện cụ thể gì của bài toán? - Đối với bài tập định tính, ta không phải tính toán phức tạp nhưng vẫn cần phải có suy luận logic từng bước đi để đến kết luận cuối cùng. 2. Phương pháp giải bài tập vật lý Xét về tính chất của các thao tác tư duy khi giải các bài tập vật lý người ta thường dùng hai phương pháp sau. - Phương pháp phân tích: Theo phương pháp này điểm xuất phát là các đại lượng cần tìm. Người giải phải tìm xem đại lượng chưa biết này có liên quan gì với các đại lượng vật lý khác, và khi biết được sự liên hệ này thì biểu diễn nó thành những công thức tương ứng, cứ làm như thế cho tới khi nào biểu diễn được hoàn toàn đại lượng cần tìm bằng những đại lượng đã biết thì bài toán đã được giải xong. Như vậy phương pháp này thực chất là đi phân tích một bài toán phức tạp thành những bài toán đơn giản hơn rồi dựa vào những quy tắc tìm lời giải mà lần lược giải các bài tập này, từ đó đi đến lời giải cho bài toán phức tạp trên. Trang 8 - Phương pháp tổng hợp: Theo phương pháp này suy luận không bắt đầu từ đại lượng cần tìm mà bắt đầu từ các đại lượng đã biết, có nêu trong đề bài. Dùng công thức liên hệ các đại lượng này với các đại lượng đã biết, ta đi dần đến công thức cuối cùng. Nhìn chung, việc giải bài tập vật lý phải dùng chung hai phương pháp phân tích và tổng hợp. Phép giải bắt đầu bằng phân tích các điều kiện của bài toán để hiểu đề bài và phải có sự tổng hợp kèm theo ngay để kiểm tra ngay lại mức độ đúng đắn của các sự phân tích ấy. Muốn lập được kế hoạch giải phải đi sâu phân tích nội dung vật